En central aspekt av biovetenskaperna är att utforska djurs symbiotiska samliv, växter och människor med sina specifika bakteriesamhällen. Forskare hänvisar till hela uppsättningen mikroorganismer som lever på och inuti en värdorganism som mikrobiomet. Under de senaste åren har bevis har samlats på att sammansättningen och balansen i detta mikrobiom bidrar till organismens hälsa. Till exempel, förändringar i bakteriesamhällets sammansättning är inblandade i ursprunget till olika så kallade miljösjukdomar. Dock, det är fortfarande i stort sett okänt hur samarbetet mellan organism och bakterier fungerar på molekylär nivå och hur mikrobiomet och kroppen exakt fungerar som en funktionell enhet.

Ett viktigt genombrott för att dechiffrera dessa mycket komplexa relationer har nu uppnåtts av ett forskargrupp från Kiel University Zoological Institute. Använda sötvattenspolypen Hydra som modellorganism, forskarna i Kiel och deras internationella kollegor undersökte hur dessa djurs enkla nervsystem interagerar med mikrobiomet. De kunde demonstrera, för första gången, att små molekyler som utsöndras av nervceller hjälper till att reglera sammansättningen och koloniseringen av specifika typer av fördelaktiga bakterier längs Hydras kroppskolonn. "Tills nu, neuronella faktorer som påverkar kroppens bakteriekolonisering var i stort sett okända. Vi har kunnat bevisa att nervsystemet spelar en viktig reglerande roll här, "säger professor Thomas Bosch, en evolutionär utvecklingsbiolog. Forskarna publicerade sina nya fynd i Naturkommunikation Denna tisdag.

Forskargruppen, ledd av Bosch, använd sötvattenpolyppen Hydra som modellorganism för att belysa de grundläggande principerna för nervsystemets struktur och funktion. Hydra representerar en evolutionär gammal gren av djurriket; de har en enkel kroppsplan med ett nervnät på endast cirka 3000 neuroner. Tillämpa modern experimentell teknik på dessa organismer som, trots sin enkelhet, fortfarande delar en stor molekylär likhet med ryggradsdjurens nervsystem, möjliggjort identifiering av gamla och därför grundläggande principer för nervsystemets struktur och funktion.

Med denna modellorganism, forskarna från Kiel University tog upp frågan om hur budbärarämnen som produceras av nervsystemet, känd som neuropeptider, kontrollera samarbetet och kommunikationen mellan värd och mikrober. De samlade in mobil, molekylära och genetiska bevis för att visa att neuropeptider har antibakteriell aktivitet som påverkar både sammansättningen och den rumsliga fördelningen av de koloniserande mikroberna.

För att avslöja sambandet mellan neuropeptider och bakteriesamhällen, de Kielbaserade forskarna koncentrerade sig först på utvecklingen av sötvattenspolyppens nervsystem, från äggstadiet till ett vuxet djur. Cnidarians utvecklar ett komplett nervsystem inom cirka tre veckor. Under denna utvecklingstid, bakteriesamhällena som täcker djurets yta förändras radikalt, tills en stabil sammansättning av mikrobiomet slutligen bildas. Under påverkan av neuropeptidernas antimikrobiella effekt, koncentrationen av så kallade grampositiva bakterier, en undergrupp av bakterier, minskar kraftigt under en period av ungefär fyra veckor. I slutet av mognadsprocessen, en typisk sammansättning av mikrobiomet råder, domineras särskilt av gramnegativa Curvibacter-bakterier. Eftersom neuropeptiderna endast produceras i vissa delar av kroppen, de styr också den rumsliga lokaliseringen av bakterierna längs kroppskolonnen. Således, i huvudregionen, till exempel, det finns en stark koncentration av antimikrobiella peptider, vilket resulterar i sex gånger färre Curvibacter -bakterier än på tentaklerna.

Baserat på dessa observationer, forskarna drog slutsatsen att nervsystemet under hela evolutionens gång också deltog i en kontrollerande roll för mikrobiomet, förutom dess sensoriska och motoriska uppgifter. "Fynden är också viktiga i ett evolutionärt sammanhang. Eftersom förfäderna till dessa djur har uppfunnit nervsystemet, det verkar som om samspelet mellan nervsystemet och mikrobiomet är ett uråldrigt drag hos flercelliga djur. Eftersom den enkla designen av Hydra har stor grundläggande och translationell relevans och lovar att avslöja nya och oväntade grundläggande funktioner i nervsystemet, vidare forskning om samspelet mellan kropp och bakterier kommer därför att koncentrera sig mer på de neuronala aspekterna, "sa Bosch, sammanfattar arbetets betydelse.